电气控制系统(ECS)的应用和发展

[摘 要] 电气控制系统有很好的应用前景，本论文介绍了电气控制系统（ECS）的特点及控制网络，并提出功能扩展后 ECS 的应用。并提出了优缺点及发展前景。

[关键词]电气控制系统 应用与发展 功能应用

中图分类号：TD525 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）10-0273-01

在电力市场飞速发展的今天，随着电力体制改革的进一步深入，对电厂的控制水平的定位，自动化水平的要求越来越高。分散控制系统（DCS）已经成为 50MW 以上机组的标准配置；加之企业为了适应现代管理的需要，采用信息技术、建立 SIS（实时信息系统）、MIS（生产管理系统）已成为必然趋势。为了适应“厂网分家，竞价上网”这一新的形势，最大限度的提高机组的控制水平，发展 DCS 系统，建立信息共享、管理、决策平台，已成为必然趋势。

一、电气控制对象的特点和要求

电气控制量与热工控制量相比在控制要求及运行过程中有着很多不同点，电气的主要特点表现为：

（1）电气控制系统相对热机设备而言控制信息采集量小、对象少，操作频率低，但强调快速性、准确性；

（2）电气设备保护自动装置要求可靠性高，动作速度快；同时对抗干扰要求较高。

（3）热力系统控制处理信息量大，系统复杂，以过程控制为主；电气控制系统（ECS）主要以数据采集系统和顺序控制为主，联锁保护较多。

因此，机组的电气系统纳入 DCS 控制，要求控制系统具有很高的可靠性。除了能实现正常起停和运行操作外，尤其要求能够实现实时显示异常运行和事故状态下的各种数据和状态，并提供相应的操作指导和应急处理措施，保证电气系统自动控制在最安全合理的工况下工作。

二、常规 ECS 系统的实现功能和水平

目前，大多数电厂和 DCS 厂家所实现的 ECS 控制功能主要局限在以下几个方面：

（1）监视部分 发电机―变压器组系统，励磁系统，高、低压厂用电系统及备用电源系统，220V 直流系统和 UPS 电源系统，电气公用系统，所控电气设备开关、闸刀的状态监视；中央信号及事故报警，事故记录及追忆功能。

（2）控制部分 发电机―变压器组单元电气一次设备的控制、联锁，发电机程序起停，ASS 的投切；厂用工作电源，高、低压厂变与高、低压备变之间的正常切换操作；电气接地系统管理；220kV 断路器、隔离开关的控制。

应该说在传统的 DCS 系统中对电气量的监视、控制非常有限，尤其是对电气专用智能设备信息的采集更是少之又少，致使这些设备各自为政，对运行人员来说，无法在操作员站的监视器上了解相关信息。有时不得不采用大量的电流、电压变送器将部分模拟量采集进 DCS 系统；或者采用硬接线的方式接入 DCS 系统，使系统复杂、投资增加和资源浪费。

三、功能扩展后的 ECS 系统

1.设计原则

（1）系统的可靠性设计原则：保护测控装置的高可靠性满足 IEC61000-4 的四级标准，重要设备和关键环节考虑冗余设计，如发变组保护、通信服务器等；通讯网络采用双网，网络具有自诊断和纠错功能；

（2）系统的大容量实时数据库，满足大容量数据采集的要求；

（3）系统的实时性设计原则：通讯网选用高速工业以太网/高速现场总线，通讯主控单元选用工业计算机和实时多任务操作系统，确保了系统的实时性；

（4）通信服务器、通讯网络采用冗余方式，每个控制设备可采用主/备双通道，故障时自动切换，任何单一故障不影响系统正常运行；

（5）快速的主/备机故障切换机制；

（6）严格的同步机制，确保主/备机数据的一致性。

2.电气自动化系统的设计思路

厂用电系统现场级（也叫现场应用层）设备采用分散式就地安装的集保护、测量、控制、通讯于一体的基于微处理器的微机综合智能终端设备，如发变组保护装置、微机励磁调节装置、微机备用电源自投装置、电动机综合保护测控装置、低压变压器保护测控装置、厂用分支保护测控装置、同期合闸装置、厂用电快切装置、小电流接地选线装置等。用现场总线（或以太网）将这些终端设备的通信接口连接起来，构成电气监控网络，通过通信处理机实现设备的分层管理；通信处理机（也叫通信管理层）进而与厂用电监控主站相连，最终由厂用电监控主站（主控单元）连接至 DCS 系统及电厂MIS 系统、SIS 系统、Internet 网等；同时也可通过通信处理机直送 DCS 的 DPU 等设备，以提高测控的可靠性和响应速度。

四、电气监控系统（ECS）的控制网络及构架

电气监控系统（ECS）应采用开放、分层分布式网络结构，电气控制网络宜采用三层设备两层网结构，分为主控层、通信管理层、现场应用层。网络具有自诊断功能及网络纠错能力，选用工业高速网络能满足大容量信息和接点的要求。

1.主控层

主控层网络通讯介质可采用以太网线，它负责主控层各个交换机之间和来自现场应用层的全部数据的传输和各种访问请求。其网络协议应符合国际标准化组织 OSI 模型。具有良好的开放性。主控层网络按冗余双网配置，采用 10M/100Mbps 以太网，通信速率高、容量大，易于与 SIS、DCS及其它系统联网。主控层分别设置两台服务器（或交换机），每台机组设置一台操作员站，工程师站可根据机组情况设定。交换机采用采用双机冗余配置，交换机负责接受将通信管理机转换后的信号转换成 TCP/IP 的通信协议通过 10M/100Mbps 以太网与 DCS 的以太网连接。主控层主要设备包括交换机、GPS 对时装置、路由器（选配）、硬件防火墙（选配）等。

2.通信管理层

通信管理层为通信转换和接口设备，将现场总线设备接入系统，实现现场总线设备通讯协议、通讯介质的转换。设备采用双机热备原则设置，以提高可靠性。现场应用层保护测控装置采用 RS485，RS232 接口或总线。通信管理机将多个现场管理的保护测控装置信号采集后经过集线器、通信电缆或光缆、光电转换器等转换成以太网与站控层交换机通信。通信网络通讯速率应满足系统实时性要求。当数据通信网络中出现某个差错时，系统应自动采取安全措施，如自动要求重发该数据、切除故障设备或切换至冗余的装置等。与各类现场设备通讯可采用屏蔽双绞线、五类线或光纤等介质。通信管理机负责把各个保护测控装置的数据整理汇总，再将这些信息上送至 ECS 和 DCS。另一方面，接收由 ECS 下达的命令并转发给相应的保护测控装置。

3.现场应用层

在 ECS 各装置的硬件配置上，采用通信模块化设计，可以同时支持多种类型的通信口，包括以太网、串行通信口、可扩充的其他现场总线接口等；软件上，采用规约库，支持MODBUS、标准网络协议（TCP/IP）等。

总之，功能扩展的 ECS 系统首次将微机保护技术、现场总线技术实际应用到电厂电气自动化，实现了电厂厂用电部分的综合自动化、实现了与 DCS 系统的无缝连接。

参考文献

[1]阳宪惠. 现场总线技术及其应用[M]. 北京：清华大学出版社，1999.

[2]师向丽，白尚旺，谭瑛，党伟超. 自动化立体仓库中作业调度的研究[J].物流技术，2004，（3）：29-32.